一种高度可控的聚合物微米线阵列的制备方法

技术领域

本发明涉及微纳米加工技术领域。更具体地，涉及一种高度可控的聚合物微米线阵列的制备方法。

背景技术

制备超薄的高度可控的微米结构是电子学和光电子学等领域的研究热点之一。聚合物超薄材料具有很强的量子限域效应、溶液可加工性和机械柔性，在电子学和光电子学领域，这类结构具有广阔的潜在应用空间，不过其工业应用也还存在很多问题亟待解决。近年来已经有多种溶液加工方法用来实现聚合物材料的阵列化制备，如喷墨打印法、微米压印法、毛细液桥诱导法、蘸笔印刷法和剪切刮涂法等。这些方法通过将微液体阵列化来实现聚合物分子的定域生长过程，以此精确控制聚合物分子的位置和形貌。然而，这些方法对微液体的控制限于在衬底面内的长度和宽度两个维度上，对于高度这个维度，以上这些传统的阵列化制备方法并不能实现有效调节，以上方法制备的微纳结构高度具有随机性，并不能实现高度可控，微纳结构均一性难以保证，更无法连续调节。因此，需要提供一种高度可控的聚合物微米线阵列的制备方法。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种高度可控的聚合物微米线阵列的制备方法，该方法通过调节柔性光刻胶模板和基底之间的压力，可控的改变基底上生长的微米线阵列的高度，得到尺寸可控且均匀的微米线阵列。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种高度可控的聚合物微米线阵列的制备方法，包括以下步骤：

将聚合物溶液滴加在柔性光刻胶模板和基底之间，形成三明治结构，将该三明治结构置于压力可调的施压装置中，然后施压、加热干燥、冷却，拆下柔性光刻胶模板，在基底上得到高度可控的聚合物微米线阵列，如图1所示。

传统的液相制备聚合物阵列的方法，对微液体的控制限于在衬底面内的长度和宽度两个维度上，对于高度这个维度无法实现有效控制和调节，使制备得到的微米线高度具有随机性，更无法连续调节。本发明提供的制备方法中，使用的是柔性光刻胶模板，当施加的压力改变时，毛细液桥高度会发生变化，大的压力将导致毛细液桥变矮，同时光刻胶模板也会发生轻微形变，实现对三明治结构中的毛细液桥高度的控制，制备出一系列高度可控的聚合物微米线，如图3所示。

优选地，所述聚合物选自3-己基取代聚噻吩、聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)、聚乙烯基吡咯烷酮中的一种。

优选地，所述聚合物溶液的浓度为1-50mg/mL。

优选地，所述基底选自硅片、二氧化硅片、玻璃片、ITO玻璃、石英片、聚对苯二甲酸乙二醇酯中的一种。

优选地，所述加热干燥的温度为60-80℃，时间为8-24h。

优选地，所述柔性光刻胶模板的制备过程包括：在单晶硅片的抛光面上旋涂光刻胶，预烘烤光刻胶膜、放置掩膜版、首次在紫外灯下曝光、去除掩膜版、再次进行烘烤定性；然后将光刻胶膜置于显影剂中显影、去离子水冲洗、用氮气吹干，再次在紫外灯下曝光，得柔性光刻胶模板，如图2所示。

优选地，所述旋涂光刻胶过程中匀胶机的转速为4000-6000转/分钟。

优选地，预烘烤过程中的温度为80-100℃，时间为3-4h；

优选地，烘烤定性过程中的温度为80-100℃。

优选地，首次在紫外灯下的曝光时间为5-10s，再次在紫外灯下的曝光时间为10-20s。

优选地，所述柔性光刻胶模板具有微柱阵列结构，其中单个柱子的宽度为2-10μm，相邻柱子的间距为5-20μm。

本发明的有益效果如下：

本发明中制备聚合物微米线阵列的过程中，使用的是柔性光刻胶模板，当施加的压力改变时，光刻胶模板和基底之间的间距发生变化，使扎钉在基底和光刻胶之间的聚合物溶液毛细液桥的高度发生改变，同时光刻胶模板也会发生轻微形变，溶剂完全挥发后得到高度可控的聚合物微米线，因此，制备得到的聚合物微米线阵列在长、宽、高三个尺度上均是可控的，微米线阵列均一性更高；同时该制备方法为图案化制备聚合物并将其用于微电子电路中提供了新思路。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出本发明制备高度可控的聚合物微米线阵列过程中的三明治结构。

图2示出光刻胶模板的制备过程。

图3示出改变施加的外加压力对聚合物毛细液桥高度影响示意图。

图4示出本发明实施例中光刻胶模板扫描电子显微镜图。

图5示出本发明实施例中所用施加压力的装置。

图6示出本发明通过控制压力制备不同厚度聚合物微米线的原子力显微镜图。

图7示出本发明实施例所制备的聚合物微米线阵列扫描电子显微镜图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

实施例

1)使用匀胶机在抛光硅片上旋涂光刻胶SU-8。

2)将旋涂好的光刻胶膜在90℃进行4小时烘烤。

3)将掩膜版放在光刻胶膜上，在紫外灯照射下进行曝光操作。

4)将上述3)中的光刻胶取下掩膜版后，在100℃进行烘烤定型。

5)将上述4)中光刻胶样品置于显影液中显影60秒后用去离子水多次冲洗表面，最后用紫外灯照射一段时间进行交联固化，得到如图4所示的光刻胶模板。

6)配置聚合物P3HT(3-己基取代聚噻吩)的溶液，溶度5mg/mL，溶剂为甲苯。

7)将上述6)中的7μL溶液滴在光刻胶模板上，然后覆盖上基底，光刻胶模板、溶液和基底组成一个三明治结构。其中，对光刻胶施加的压力通过控制外加装置(图5)的螺母松紧程度实现。

8)将上述7)中三明治结构放置在80℃烘箱中加热12小时，使溶剂完全挥发干。

9)将上述8)的光刻胶微柱模板取下，聚合物P3HT(3-己基取代聚噻吩)微米带阵列成功生长在硅片基底上，取下的光刻胶模板用溶剂冲洗后可以重复使用。

在该实施例中，通过图5所示装置，对光刻胶模板、溶液和基底组成一个三明治结构分别施加了大小为14MPa，10MPa，8MPa，6MPa，5MPa的压力，进而得到了高度分别为126nm，224nm，291nm，389nm，468nm的聚合物微米线阵列，如图5所示，a、b、c、d、e分别为上述压力制备的微米线的光学显微镜图，f、h、g、i、j分别为对应的原子力显微镜图。同时，从图7中可以发现，本发明制备得到的微米线的结构均一，尺寸可控。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。